Контактная информация
-
Wangshan Road, район Цзянбэй, Нинбо, Чжэцзян, Китай -
86-135-64796935
Получить цену
Чем отличаются формы для литья под давлением новых энергетических автомобилей и как они способствуют развитию производства электромобилей?
2026-03-12
Быстрое глобальное распространение новых энергетических транспортных средств поставило формы для литья под давлением в центр одной из самых сложных технологических задач производства. Пресс-формы для литья под давлением новых энергетических автомобилей представляют собой специально разработанные системы инструментов, предназначенные для производства больших, сложных и легких конструкционных компонентов из алюминия и магния, которые традиционные автомобильные формы не могут надежно обеспечить в требуемом масштабе, точности или цикличности. От корпусов аккумуляторов и корпусов двигателей до интегрированных структурных рам, изготовленных методом гигакастинг, эти формы определяют как потолок качества, так и экономику производства современного производства электромобилей.
В этом руководстве рассматривается, что отличает формы для литья под давлением NEV от обычных автомобильных инструментов, конкретные компоненты, которые они производят, материалы и инженерные принципы, которые определяют их конструкцию, проблемы, которые делают их технически сложными, а также тенденции, определяющие их эволюцию по мере того, как объемы производства электромобилей продолжают расти во всем мире.
Транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания и транспортные средства на новых источниках энергии имеют много общих методов изготовления конструкций, но особые требования к электрическим силовым агрегатам, аккумуляторным системам и архитектуре легких платформ выдвигают формы для литья под давлением на значительно более требовательную территорию, чем традиционные автомобильные инструменты.
Основное различие начинается со сложности и размера детали. Структурные компоненты NEV обычно крупнее, с более тонкими стенками и более геометрически сложными, чем эквивалентные компоненты ДВС. Батарейный отсек для электрического седана среднего размера может иметь длину более одного метра, толщину стенок от 2,5 до 4 миллиметров и очень сложную внутреннюю геометрию, включающую каналы охлаждения, монтажные выступы и встроенные ребра жесткости. Постоянное производство этой детали в форме для литья под давлением требует инженерной точности, превосходящей большинство традиционных применений автомобильного литья.
Снижение веса является еще одним драйвером. Поскольку масса аккумулятора уже добавляет NEV от 300 до 600 килограммов по сравнению с эквивалентным транспортным средством с ДВС, каждый килограмм, сэкономленный в конструкции автомобиля, напрямую увеличивает запас хода. Литье алюминия под давлением позволяет конструктивным компонентам быть на 30–50 % легче, чем эквивалентные стальные штамповки. , что делает его доминирующим методом производства деталей конструкции NEV. Это давление веса подталкивает проектировщиков пресс-форм к более тонким стенкам и более сложной геометрии, что требует чрезвычайно точного проектирования пресс-форм для постоянного заполнения без дефектов.
Многие структурные компоненты NEV интегрируют функции терморегулирования непосредственно в свою литой конструкцию. В аккумуляторных лотках часто имеются залитые каналы для охлаждающей жидкости, по которым циркулирует жидкость для регулирования температуры аккумулятора во время зарядки и работы. Корпуса двигателей оснащены рубашками охлаждения. Эти интегрированные тепловые функции требуют форм с чрезвычайно точными системами стержней, которые могут поддерживать точность размеров в течение миллионов циклов литья без смещения, коробления или эрозии стержня, что может поставить под угрозу целостность уплотнения каналов охлаждающей жидкости.
Последствия дефектного канала охлаждающей жидкости в аккумуляторном отсеке гораздо серьезнее, чем косметический дефект литья декоративной автомобильной детали. Утечка охлаждающей жидкости в аккумуляторный блок создает катастрофический риск для безопасности, а это означает, что требования к допускам и стандартам качества для этих встроенных тепловых компонентов значительно более строгие, чем для большинства обычных автомобильных отливок.
Формы для литья под давлением новых энергетических автомобилей производит широкий спектр компонентов конструкции, силовых агрегатов и терморегулирования. Понимание конкретных производимых деталей и их функциональных требований обеспечивает контекст для понимания того, почему проблемы проектирования пресс-форм настолько значительны.
Корпус батареи, возможно, является наиболее важным и требовательным применением NEV при литье под давлением. Он должен обеспечивать структурную жесткость для защиты ячеек от ударов и деформации, включать точную геометрию каналов охлаждающей жидкости для управления температурой, поддерживать точность размеров всех монтажных и уплотняющих поверхностей ячеек и достигать всего этого в детали, которая может весить от 15 до 40 килограммов и иметь размеры более метра в самом длинном измерении.
Формы для аккумуляторных лотков являются одними из самых крупных и сложных инструментов для литья под давлением в производстве. Они работают на машинах для литья под давлением с усилием смыкания от 3500 до 6000 тонн и требуют чрезвычайно сложных систем направляющих и литников, чтобы обеспечить полное и равномерное заполнение сложной внутренней геометрии при высоких скоростях впрыска, необходимых для заполнения тонких стенок до затвердевания алюминия.
Корпуса электродвигателей для NEV обычно представляют собой цилиндрические или почти цилиндрические алюминиевые отливки, которые должны обеспечивать точную геометрию отверстия для установки подшипников, иметь водяную рубашку для охлаждения двигателя и сохранять жесткие допуски на всех сопрягаемых поверхностях, где двигатель собирается с компонентами коробки передач и инвертора. Допуски на круглость и цилиндричность отверстий корпуса двигателя имеют решающее значение для срока службы подшипников и производительности двигателя, поэтому требуются конструкции пресс-форм, которые контролируют температурные деформации во время и после литья с исключительной точностью.
Корпуса инверторов защищают и охлаждают силовую электронику, которая преобразует мощность аккумулятора постоянного тока в ток двигателя переменного тока. Этим компонентам требуются отличные свойства электромагнитного экранирования, точный контроль размеров при монтаже электронных компонентов, а также встроенные конструкции радиатора или каналы для охлаждающей жидкости для управления значительным количеством тепла, выделяемого силовой электроникой при высоких уровнях тока. Пресс-формы для литья под давлением корпусов инверторов должны производить очень тонкие, стабильные по размерам стенки со сложными внутренними характеристиками и гладкими внутренними поверхностями, не удерживающими тепло.
Наиболее революционной разработкой в области литья под давлением NEV является гигакастинг, производство очень крупных интегрированных структурных компонентов, которые заменяют узлы, ранее изготовленные из десятков отдельных штампованных и отливок, сваренных вместе. Tesla впервые применила этот подход, создав отлитую заднюю часть кузова, и распространила его на передние и задние интегрированные конструкции. Эти цельные отливки могут заменить сборки из 70–100 отдельных деталей. сокращение трудозатрат на сборку до 40% и веса конструкции на 10–20% по сравнению с эквивалентными сварными узлами.
Пресс-формы Gigacasting — это самые большие инструменты для литья под давлением, когда-либо созданные для автомобильного производства. Они работают на станках с усилием смыкания от 6 000 до 16 000 тонн и должны изготавливать детали с проектируемой площадью более 1,5 квадратных метров. Инженерная сложность этих инструментов с точки зрения заслонок, вентиляции, охлаждения и выброса является беспрецедентной в истории автомобильных инструментов.
Выбор материалов пресс-формы является одним из наиболее важных решений при проектировании инструментов NEV для литья под давлением. Материалы форм должны выдерживать экстремальные термические и механические нагрузки при литье алюминия под высоким давлением, сохраняя при этом стабильность размеров и целостность поверхности на протяжении всего производственного цикла, который может достигать сотен тысяч циклов.
Инструментальные стали для горячей обработки являются стандартным материалом для полостей и стержней форм для литья под давлением. Наиболее широко используемые марки при литье под давлением NEV включают:
Экстремальные температурные циклы, возникающие во время литья алюминия под давлением, вызывают прогрессирующую деградацию поверхности из-за термопроверки, эрозии и пайки. Поверхностная обработка, применяемая к полости формы и поверхностям стержня, значительно продлевает срок службы инструмента и сохраняет качество поверхности:
Разработка форм для литья под давлением новых энергетических транспортных средств включает в себя решение ряда взаимосвязанных задач, которые необходимо решать одновременно при проектировании формы. Неисправность в какой-либо одной области приводит к проблемам с качеством, сокращению срока службы инструмента или неэффективности производства.
Пресс-форма для литья под давлением конструктивного компонента NEV подвергается температурному циклированию от примерно 200–250 градусов Цельсия на поверхности полости во время впрыска металла до 180–200 градусов Цельсия во время охлаждения, повторяясь при каждом цикле литья. В течение сотен тысяч циклов эта термическая усталость является основной причиной термического контроля и деградации поверхности полости.
Конформные каналы охлаждения, обработанные механической обработкой или аддитивным способом, повторяющие контур поверхности полости на постоянном расстоянии, теперь являются стандартом для высокопроизводительных форм для литья под давлением NEV. Конформные каналы охлаждения обеспечивают значительно более эффективный и равномерный отвод тепла, чем традиционные контуры охлаждения с прямыми отверстиями. Исследования показали, что конформное охлаждение может сократить время цикла на 15–30 % и снизить разницу температур на поверхности полости на 40–60 %. по сравнению с традиционным охлаждением, которое напрямую снижает термические усталостные повреждения и продлевает срок службы пресс-формы.
Аддитивное производство, в частности селективное лазерное плавление порошка инструментальной стали, позволило производить сложные конформные охлаждающие вставки с геометрией внутренних каналов, которые невозможно изготовить с помощью традиционной механической обработки. Эта технология стала важным фактором высокопроизводительного охлаждения в формах для литья под давлением NEV.
Литниковая система контролирует, как расплавленный алюминий поступает в полость формы, а ее конструкция оказывает глубокое влияние на качество детали, уровень пористости и способность заполнять тонкие, сложные секции без холодных закрытий или сбоев в работе. Конструктивные элементы NEV с толщиной стенок от 2,5 до 3,5 миллиметров и большими выступающими площадями представляют собой серьезные проблемы при проектировании литников, поскольку алюминий должен заполнить всю полость, прежде чем он начнет затвердевать.
Скорость ворот, площадь ворот и их расположение должны быть оптимизированы одновременно. Слишком высокая скорость затвора создает турбулентность, которая увлекает воздух и оксидные пленки, вызывая пористость. Слишком низкая скорость приводит к преждевременному затвердеванию и холодному закрытию. Типичная скорость ворот при литье алюминия под давлением составляет от 30 до 50 метров в секунду. , и достижение этого в большой и сложной геометрии детали требует тщательного вычислительного моделирования гидродинамики во время проектирования пресс-формы, чтобы убедиться, что фронт потока ведет себя так, как задумано.
Воздух и газ, попавшие в полость формы во время впрыска металла, являются основным источником пористости при литье под давлением алюминия. Для конструктивных элементов NEV, где пористость ухудшает как механическую целостность, так и герметичность встроенных каналов охлаждающей жидкости, контроль за захваченным газом имеет решающее значение.
Системы вакуумного литья под давлением, которые вакуумируют полость формы до давления ниже 50 миллибар до и во время впрыска, являются стандартной практикой для высоконадежных структурных компонентов NEV. Эти системы требуют точно обработанных вакуумных каналов, быстродействующих вакуумных клапанов и систем герметизации пресс-форм, которые поддерживают целостность вакуума на линии разъема и вокруг всех поверхностей соприкосновения с направляющими и стержнями на протяжении всего цикла впрыска. Конструкция пресс-формы должна обеспечивать прокладку вакуумного контура без ущерба для структурной целостности или покрытия контура охлаждения.
Для выталкивания крупной тонкостенной конструкционной отливки NEV из формы без деформации или повреждения поверхности требуется тщательно спроектированная система выталкивания с распределенными выталкивающими штифтами для равномерного приложения силы по всей площади детали. Неравномерная сила выталкивания на большой, относительно гибкой отливке вызывает локальные деформации, которые могут превышать допуски на размеры или создавать концентрации напряжений, которые сокращают усталостный срок службы.
Для деталей Gigacast разработка системы выброса особенно сложна. Задняя отливка днища электромобиля может весить от 50 до 70 килограммов и иметь длину более 1,4 метра. Равномерное извлечение этой детали, передача ее в систему обработки и повторение этого каждые 80–120 секунд в течение сотен тысяч производственных циклов требует разработки системы выброса исключительной точности и надежности.
Различные компоненты NEV предъявляют разные требования к формам для литья под давлением. Следующее сравнение иллюстрирует, как ключевые параметры спецификаций пресс-форм различаются в основных приложениях литья NEV:
| Компонент | Тоннаж машины | Ключевая проблема с плесенью | Требуется вакуум | Типичный срок службы инструмента (в кадрах) |
|---|---|---|---|---|
| Батарейный лоток | от 3500 до 6000 т. | Целостность канала охлаждающей жидкости, заполнение большой площади | Существенный | от 80 000 до 120 000 |
| Корпус двигателя | от 1000 до 2500 т. | Концентричность отверстия, уплотнение водяной рубашки | Настоятельно рекомендуется | от 150 000 до 250 000 |
| Корпус инвертора | от 800 до 1600 т. | Тонкие стены, экранирующие ЭМС поверхности | Рекомендуется | от 200 000 до 300 000 |
| Задняя рама Gigacast | от 6 000 до 16 000 т. | Экстремальный размер, равномерное заполнение, выброс | Существенный | от 50 000 до 100 000 |
| Корпус коробки передач | от 1200 до 2800 т. | Точность отверстия подшипника, уплотнение масляного канала | Рекомендуется | от 150 000 до 200 000 |
Компьютерное моделирование стало незаменимым при разработке форм для литья под давлением NEV. Сложность структурных компонентов NEV, а также стоимость изготовления и модификации крупных инструментов для литья под давлением делают физическую разработку методом проб и ошибок непомерно дорогой. Моделирование позволяет инженерам выявлять и решать проблемы в виртуальной области до того, как будет разрезан металл или сталь.
Вычислительное гидродинамическое моделирование заполнения формы предсказывает, как расплавленный алюминий будет течь через систему направляющих и попадать в полость формы. Он определяет потенциальные места холодного закрытия, где два фронта потока встречаются при низкой температуре, прогнозирует зоны риска захвата воздуха и пористости, а также позволяет оптимизировать положение затвора и геометрию рабочего колеса перед изготовлением инструмента. Современное программное обеспечение для моделирования заполнения, такое как Magmasoft, ProCAST и Altair Inspire Cast, может моделировать полное заполнение за считанные минуты и прогнозировать распределение пористости с хорошей точностью, если правильно заданы граничные условия.
Анализ методом конечных элементов структуры пресс-формы позволяет прогнозировать температурные градиенты, распределение температурных напряжений и механические деформации под действием сил зажима и впрыска. Для больших инструментов для литья под давлением NEV отклонение формы под действием экстремальных усилий зажима крупнотоннажных машин может быть достаточно значительным, чтобы повлиять на герметичность линии разъема и точность размеров отлитой детали, если это не учтено в конструкции формы.
Моделирование термической усталости, основанное на моделях циклических термических нагрузок, позволяет предсказать, какие зоны пресс-формы наиболее подвержены тепловым проверкам, что позволяет инженерам определить усиленное охлаждение, улучшенную марку стали или защитные покрытия поверхности в зонах наибольшего риска еще до начала производства. Было показано, что проектирование пресс-форм на основе моделирования сокращает количество итераций физических испытаний, необходимых для утверждения производства, на 40–60 %. в сложных процессах литья NEV, что обеспечивает значительную экономию времени и средств.
По мере того, как отливка затвердевает и охлаждается от температуры отливки до комнатной температуры, дифференциальное тепловое сжатие приводит к искажению геометрии детали в отлитом состоянии. Для крупных структурных компонентов NEV с жесткими допусками на размеры отверстий подшипников, уплотнительных поверхностей и интерфейсов сборки прогнозирование деформаций имеет важное значение. Моделирование процесса затвердевания и охлаждения позволяет заранее компенсировать размеры полости формы, чтобы окончательно охлажденная деталь соответствовала номинальным размерам, несмотря на возникающие при охлаждении деформации.
Безопасность и эффективность конструктивных компонентов NEV требуют строгого контроля качества на протяжении всего процесса литья и готовых деталей. Конструкция формы для литья под давлением напрямую влияет на то, насколько легко можно контролировать и контролировать качество на производстве.
Современные линии литья под давлением NEV оснащены обширными системами мониторинга процесса, которые отслеживают параметры процесса при каждом выстреле и отмечают отклонения, которые могут указывать на проблемы с качеством. Ключевые контролируемые параметры включают в себя:
Высококачественные конструкционные отливки NEV проходят неразрушающий контроль для проверки внутреннего качества без разрушения детали. Основными применяемыми методами НК являются:
Индустрия NEV развивается настолько быстро, что технология литья под давлением постоянно расширяет свои возможности. Некоторые тенденции активно меняют внешний вид форм для компонентов NEV и способы их разработки.
После коммерческой проверки Tesla технологии гигакастинга для структурных компонентов многие китайские, европейские и корейские автопроизводители в настоящее время разрабатывают или внедряют программы гигакастинга. BYD, Nio, Li Auto, Volvo и Toyota объявили или реализовали крупномасштабные программы структурного литья. Прогнозируется, что мировой рынок машин для литья под давлением с усилием смыкания более 6000 тонн будет расти более чем на 25% ежегодно до 2028 года. поскольку эти программы масштабируются до объемов производства.
Это расширение стимулирует спрос на производителей пресс-форм, способных разрабатывать и производить самые большие и сложные инструменты для литья под давлением, когда-либо созданные для автомобильного производства, и концентрирует самые передовые разработки в области технологий пресс-форм в секторе NEV.
Аддитивное производство все чаще интегрируется в производство форм для литья под давлением NEV для производства конформных охлаждающих вставок и сложных основных компонентов. Селективное лазерное плавление порошка инструментальной стали H13 позволяет получить геометрию каналов охлаждения, которую невозможно получить с помощью обычного сверления, а гибридные производственные подходы, сочетающие аддитивную и субтрактивную обработку, становятся стандартной практикой для высокопроизводительных вставок пресс-форм в приложениях NEV.
Цифровые двойные модели пресс-форм для литья под давлением, сочетающие проектные данные с информацией мониторинга производства в режиме реального времени, используются ведущими производителями автомобилей и литейными предприятиями для прогнозирования требований к техническому обслуживанию, оптимизации параметров процесса и отслеживания деградации пресс-форм в течение жизненного цикла производства. Цифровой двойник пресс-формы, который объединяет данные счетчика выстрелов, температурный мониторинг и результаты контроля размеров, может предсказать, когда потребуется восстановление полости, прежде чем возникнут проблемы с качеством на производстве, сокращая незапланированные простои и образование брака.
Разработка сплавов ведется параллельно с технологией формования, чтобы обеспечить возможность литья сплавов без термообработки, которые достигают механических свойств, которые ранее требовали термообработки T5 или T6 после отливки. Эти сплавы, такие как материал Tesla на основе Silafont-36, используемый в деталях Gigacast, упрощают производственный процесс и снижают потребление энергии, но предъявляют новые требования к контролю температуры формы для достижения необходимой микроструктуры во время затвердевания в форме. Сплавы, не подвергающиеся термической обработке, требуют точности терморегулирования в пресс-форме, что значительно более требовательно, чем при литье обычных сплавов. , что способствует дальнейшему развитию систем конформного охлаждения и контроля температуры пресс-форм в реальном времени.
Поскольку объемы производства NEV продолжают глобальную траекторию роста, а архитектура транспортных средств развивается в сторону большей структурной интеграции и снижения веса, инженерные возможности, заложенные в формы для литья под давлением новых энергетических автомобилей, будут оставаться фундаментальным отличием между производителями, которые могут достичь целевых показателей стоимости и качества, и теми, кто не может этого сделать. Инструменты не видны в готовом автомобиле, но они являются основой, на которой построен каждый компонент конструкции NEV.
Wangshan Road, район Цзянбэй, Нинбо, Чжэцзян, Китай
86-135-64796935
Авторское право © Ningbo NKT Tooling Co., Ltd. Все права защищены.
